西太平洋巖石圈有效彈性厚度的空間分布與控制因素

劉文瀟， 李春峰,2*， 朱塽， 陸哲哲， 吳招才

1 浙江大學(xué)海洋科學(xué)系， 浙江 舟山 316021 2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室， 海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266237 3 自然資源部第二海洋研究所， 自然資源部海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310012

0 引言

西太平洋地區(qū)(104°E—168°E，12°S—48°N；圖1)位于歐亞板塊、印澳板塊及太平洋板塊交匯處，總體呈現(xiàn)復(fù)雜的俯沖、碰撞、弧后伸展等構(gòu)造環(huán)境，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)劇烈、演化特征復(fù)雜，是研究洋-陸相互作用及地球動(dòng)力學(xué)過程的理想地區(qū)之一.

在一系列構(gòu)造活動(dòng)的影響下，巖石圈的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等會(huì)發(fā)生變化，從而影響其力學(xué)強(qiáng)度，而巖石圈的力學(xué)強(qiáng)度可以通過其有效彈性厚度(Te)進(jìn)行表征.Te是指在相同的負(fù)載下與巖石圈撓曲變形一致的彈性薄板的厚度(Forsyth，1985).當(dāng)加載短波長的地形載荷時(shí)，巖石圈的彈性部分能夠完全支撐，不會(huì)產(chǎn)生或產(chǎn)生較小的彈性形變，地形與重力異常數(shù)據(jù)相關(guān)度低；而長波長的地形載荷能夠使得巖石圈撓曲并趨于Airy均衡形態(tài)，地形和重力異常相關(guān)度高，因此，在長波長與短波長之間存在一個(gè)與巖石圈強(qiáng)度本身有關(guān)的臨界波長，可以反映Te的大小.

從20世紀(jì)70年代起，國內(nèi)外科學(xué)家對(duì)Te展開了分析研究，計(jì)算方法也不斷得到完善.起初參考局部均衡模型，利用地形和重力異常間的均衡響應(yīng)函數(shù)正演或反演估計(jì)Te(Dorman and Lewis，1970；McNutt and Parker，1978；Karner and Watts，1983).之后隨著譜方法(相干性與導(dǎo)納)的提出(Mckenzie and Bowin，1976)，衍生出通過對(duì)地形和布格重力異常進(jìn)行傅里葉變換，利用其相關(guān)性反演計(jì)算Te的方法(Forsyth，1985)，多窗譜方法提高了相關(guān)性法計(jì)算的準(zhǔn)確性(Pérez-Gussinyé et al.，2004).到21世紀(jì)初，Kirby(2005)及Kirby和Swain(2004， 2008)基于Morlet小波，提出fan小波方法反演計(jì)算Te，并在全球范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用(如Pérez-Gussinyé and Watts，2005； Swain and Kirby，2006).

在中國及其周邊地區(qū)，科學(xué)家利用譜分析方法得到了巖石圈有效彈性厚度分布(鄭勇等，2012；李永東等，2013；Chen et al.，2013，2014，2015；Deng et al.，2014；胡敏章等，2020；Lu et al.，2020)，綜合描述了中國區(qū)域的巖石圈力學(xué)結(jié)構(gòu).胡敏章等(2017)使用自由空氣重力異?；瑒?dòng)窗口導(dǎo)納方法計(jì)算了全球1° × 1°的海洋巖石圈有效彈性厚度模型，但是分辨率低并且沒有考慮地下載荷.

西北太平洋海山鏈處Te受巖石圈溫度結(jié)構(gòu)的影響，參照平板冷卻模型(Davis and Lister，1974；Mckenzie et al.，2005)，彈性巖石圈底界面主要分布在100～450 ℃等溫面之間(Wolfe and McNutt，1991；Kalnins and Watts，2009；胡敏章等，2015).而陸緣盆地由于厚的沉積物影響使得Te被高估(Shi et al.，2017)，在俯沖帶處動(dòng)力地形的影響也會(huì)使得Te被高估(Bai et al.，2018).由于西太平洋地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，以及前人研究巖石圈強(qiáng)度時(shí)使用的計(jì)算方法和數(shù)據(jù)體不盡相同，不利于整合數(shù)據(jù)并與其他數(shù)據(jù)做關(guān)聯(lián)，因此有必要計(jì)算整個(gè)西太平洋地區(qū)的Te分布，并在各個(gè)構(gòu)造單元中進(jìn)行分析解釋.基于小波變換的Te反演算法在計(jì)算速度、準(zhǔn)確性及分辨率等方面有一定的優(yōu)勢，有效避免了傅里葉變換中窗口尺度的影響(Kirby and Swain，2004，2008； Tassara et al.，2007； Zamani et al.，2014； Chen et al.，2015).

本文采用基于小波變換的自由空氣導(dǎo)納法，建立西太平洋有效彈性厚度模型，將計(jì)算結(jié)果與巖石圈年齡、居里點(diǎn)深度和熱流等熱結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析，定量描述區(qū)域內(nèi)Te隨洋殼年齡與溫度結(jié)構(gòu)分布的變化趨勢，分析其影響因素.并結(jié)合沉積物厚度、地震層析成像等數(shù)據(jù)分析研究區(qū)內(nèi)不同地質(zhì)構(gòu)造對(duì)Te的影響，探討俯沖形成機(jī)制、海山加載對(duì)巖石圈的影響及Te隨洋殼年齡的變化趨勢等地球動(dòng)力學(xué)問題.

1 數(shù)據(jù)來源與計(jì)算方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

地形數(shù)據(jù)ETOPO1(圖1；Amante and Eakins，2009)以及自由空氣重力異常數(shù)據(jù)WGM2012(圖2a；Balmino et al.，2012)的分辨率均為1′× 1′.沉積物厚度模型為GlobSed-v3(圖2b；Straume et al.，2019)，分辨率5′×5′.地殼模型CRUST 1.0(Laske et al.，2013)和巖石圈模型Lithos 1.0(Pasyanos et al.，2014)的分辨率均為1°×1°，包含了各圈層的深度以及密度信息.

圖1 西太平洋地形圖白色線段為洋殼年齡等值線；紅色線段為區(qū)域斷裂或俯沖邊界位置；三角形為本文對(duì)Te進(jìn)行單獨(dú)分析的海山位置(據(jù)Clouard and Bonneville，2005).MW：馬爾庫斯-威克平頂山群，MI：馬紹爾群島，CI：卡羅琳群島.Fig.1 Topography map of the Western PacificThe white lines are the age contours of oceanic crust, the red lines are regional faults or subduction boundaries, and triangles mark the location of seamounts (from Clouard and Bonneville, 2005), where Te is analyzed separately in this paper. MW: Marcus-Wake Guyots, MI: Marshall Islands, CI: Caroline Islands.

圖2 西太平洋自由空氣重力異常圖(a)與沉積物厚度圖(b)(a)中白色曲線及(b)中黑色曲線代表板塊邊界.Fig.2 Free-air gravity anomalies (a) and sediment thickness (b) maps of the Western PacificThe white lines in (a) and the black lines in (b) represent plate boundaries.

本文還用到大洋巖石圈年齡數(shù)據(jù)(Müller et al.，2008)、熱流數(shù)據(jù)(Li and Wang，2016)及居里點(diǎn)深度數(shù)據(jù)(Li et al.，2017)，觀察Te隨巖石圈年齡及溫度結(jié)構(gòu)的變化.

1.2 計(jì)算方法

在海洋地區(qū)，經(jīng)過地形校正和布格校正后的布格重力異常，將地表起伏等有效信息消除，會(huì)引入計(jì)算誤差，故本文使用自由空氣重力異常的導(dǎo)納法，首先對(duì)地形與自由空氣重力異常進(jìn)行譜分析，得到兩者隨波長(s)及空間位置(x)變化的實(shí)測導(dǎo)納Z′(s,x)(Kirby，2014；Chen et al.，2018)：

(1)

其中Gsxθ、Hsxθ分別表示重力異常和地形的小波變換，〈〉θ表示其方位角平均值，*表示共軛復(fù)數(shù)，小波的中央波數(shù)|k0|與等效一維傅里葉波數(shù)|k|的關(guān)系為|k|=|k0|/s(Kirby and Swain，2011).之后依據(jù)真實(shí)地質(zhì)情況計(jì)算在假設(shè)撓曲剛度D下的預(yù)測導(dǎo)納Z(s,x)：

D=ETe3/[12(1-σ2)],

(2)

(3)

(4)

r=(ρc-ρf)/(ρm-ρc),

(5)

kB=-(ρm-ρc)/φ,

(6)

kT=1-(ρc-ρf)/φ,

(7)

μB=2πG(ρm-ρc)[1-(ρm-ρc)/φ]e-|k|Zm,

(8)

μT=2πG(ρm-ρc)[-(ρc-ρf)/φ]e-|k|Zm,

(9)

表1 常量符號(hào)及其取值Table 1 Symbols and values of contants

ρwh+ρsst=ρc(h+st-h′),

(10)

h′=h(ρc-ρw)/ρc+st(ρc-ρs)/ρc,

(11)

其中ρc、ρw、ρs分別代表地殼、水、沉積層的密度，h為實(shí)際水深，st為沉積物厚度，h′為等效水深.受校正前后地形變化的影響，校正后的重力異常G′g=Gg-2πGρwh′，Gg為校正前的重力異常，爾后利用等效地形與等效重力異常計(jì)算Te.

基于上述方法，選取中央波數(shù)2.668、3.081、3.773進(jìn)行計(jì)算，中央波數(shù)越大，頻率域分辨率越高，空間域分辨率越低(Kirby and Swain，2011)，因此綜合不同中央波數(shù)的計(jì)算結(jié)果，既能保留相對(duì)高的空間域分辨率對(duì)小尺度地質(zhì)構(gòu)造的反映，又考慮了更加可靠的高頻率域分辨率的計(jì)算結(jié)果.本文綜合考量計(jì)算速度與精確度，選取計(jì)算點(diǎn)間隔為20 km，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的Te.

2 Te的分布規(guī)律

研究區(qū)Te主要分布在5～85 km之間，日本海、南海、西菲律賓海盆、卡羅琳海、Shatsky海隆等地區(qū)Te較小(< 20 km)；太平洋—印澳俯沖帶地區(qū)等Te值較高(>80 km)(圖3).

渤黃海陸架、鶯歌海盆地及東南亞陸架盆地等沉積物厚的地區(qū)，經(jīng)過沉積層校正后計(jì)算得到的低的Te值與這些陸架盆地?cái)鄬影l(fā)育的張裂環(huán)境相吻合.日本海、南海、卡羅琳海形成時(shí)間小于30 Ma，巖石圈本身年輕，局部張裂環(huán)境降低了巖石圈強(qiáng)度，故Te一般小于10 km，其中卡羅琳海四周受俯沖活動(dòng)影響，Te約30 km.

Shi等(2017)基于小波變換的相關(guān)性法計(jì)算得到東南亞地區(qū)的Te分布，在消除了陸架區(qū)域沉積物對(duì)Te計(jì)算結(jié)果的影響后，Te主要分布在0～100 km，其中巽他陸架、南海西北部等沉積物厚的地區(qū)校正后Te平均20 km，沿菲律賓海溝等板塊交界處Te大于60 km，與本文結(jié)果相近.

圖3 沉積物校正后不同中央波數(shù)|k0|下基于小波變換導(dǎo)納法的Te結(jié)果(a) |k0|=2.668； (b) |k0|=3.081； (c) |k0|=3.773； (d) 平均Te值.圖中黑色曲線為板塊邊界； (d)中黑色粗線段①～⑤分別代表千島海溝、伊豆—博寧海溝、琉球海溝、馬里亞納海溝和菲律賓海溝外緣隆起截面位置；AA′為琉球海溝至馬里亞納海溝截面位置.Fig.3 Te maps from fan wavelet admittance method with different central wave-numbers |k0| after sediment correction(a) |k0|=2.668; (b) |k0|=3.081; (c) |k0|=3.773; (d) Averaged Te. The black lines represent plate boundaries. The black thick lines from ① to ⑤ in (d) represent the locations of outer rise transects of Kuril trench, Izu-Bonin trench, Ryukyu trench, Mariana trench and Philippine trench. AA′ is the cross section from Ryukyu trench to Mariana trench.

Shatsky海隆形成于距今120 Ma左右，其形成過程類似海底擴(kuò)張(Sager et al.，2019)，擴(kuò)張洋脊上過量的火山巖漿活動(dòng)形成厚的洋殼，隨時(shí)間推移達(dá)到均衡狀態(tài)(胡敏章等，2015)；類似地，年輕的卡羅琳海弧后拉張盆地內(nèi)部的Eauripik海隆，以及隨太平洋板塊俯沖弧后擴(kuò)張形成的九州—帛琉海嶺，也可能形成于大量的巖漿活動(dòng)，逐漸達(dá)到均衡(Altis，1999；楊安等，2016).而與Shatsky海隆幾乎同時(shí)期形成的Ontong-Java海臺(tái)，其南部主體部分Te較大，主要原因是其形成于古老的太平洋板塊之上，底部存在大量巖漿底侵形成的高密度物質(zhì)，在其底部提供了支撐作用(Ishikawa et al.，2011)，從而提高了其Te值；此外，靠近南側(cè)俯沖帶的動(dòng)力地形作用也導(dǎo)致Te值的增大.

西菲律賓海盆Te較小可能是因?yàn)槠湎鄬?duì)年輕，另外處于地殼均衡狀態(tài)(楊安等，2016)；而古老的太平洋板塊內(nèi)部在海山形成后，洋殼撓曲以應(yīng)對(duì)載荷加載，隨時(shí)間推移巖石圈增厚并達(dá)到均衡，由于后期沒有張裂等構(gòu)造活動(dòng)的改造，Te比西菲律賓海盆等邊緣海盆的大.

胡敏章等(2015)利用滑動(dòng)窗口導(dǎo)納法計(jì)算得到了西北太平洋的Te分布，平均13.2 km.由于其使用的地形和重力數(shù)據(jù)較本文使用的ETOPO1和WGM2012分辨率更低，以及滑動(dòng)窗口導(dǎo)納法沒有使用統(tǒng)一的計(jì)算模型在每個(gè)窗口中進(jìn)行計(jì)算，其Te的計(jì)算結(jié)果與本文有一定差異，本文計(jì)算得到的西太平洋平均Te結(jié)果約26 km.楊安等(2016)利用同樣方法計(jì)算得到的卡羅琳海板塊及其鄰近地區(qū)的Te平均約17 km，與本文計(jì)算結(jié)果相差13 km，但整體趨勢與本文計(jì)算結(jié)果相同，太平洋—?dú)W亞板塊的俯沖邊界顯示高的Te值，而Shatsky海隆、菲律賓海板塊和太平洋板塊內(nèi)部海山等區(qū)域Te較小.

3 俯沖對(duì)Te的影響

計(jì)算俯沖帶附近Te時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮垂向加載以及板片拖曳力的橫向變化對(duì)Te的影響(Hunter and Watts，2016)，本文只考慮垂向應(yīng)力的均勻薄彈性板理論假設(shè)，造成了俯沖帶Te的高值異常(圖3)，馬里亞納海溝附近的Te分布與Bai等(2018)利用基于小波變換的相關(guān)性法計(jì)算得到的結(jié)果相近，沿俯沖帶的Te高值約85 km，以及沿菲律賓海溝等板塊交界處Te大于60 km，類似于Shi等(2017)的計(jì)算結(jié)果.

這可能是3種因素共同作用的結(jié)果：(1)動(dòng)力地形和板片拖曳力的橫向變化對(duì)Te有影響.Bai等(2018)通過對(duì)俯沖過程引起的動(dòng)力地形撓曲及俯沖板片自身重力密度產(chǎn)生的負(fù)浮力的校正，顯示馬里亞納海溝附近Te小于40 km.(2)俯沖外緣隆起處巖石圈的向上撓曲引起底部地幔物質(zhì)的上涌，這種高密度地下載荷的垂向加載也使得該地區(qū)的Te被高估.(3)上覆板塊受冷的太平洋板片的支撐，巖石圈強(qiáng)度也有一定程度的加強(qiáng).

截取千島海溝、伊豆—博寧海溝、琉球海溝、馬里亞納海溝和菲律賓海溝共5條截面(位置見圖3d)，可以看出從外緣隆起到海溝Te一般呈逐漸減小的趨勢(圖4b)，說明巖石圈從海盆向海溝的力學(xué)強(qiáng)度逐漸減弱，但受海山影響，這一現(xiàn)象在馬里亞納海溝不明顯(Yang and Fu，2018).太平洋板塊早期加載的海山附近已達(dá)到均衡狀態(tài)，海山的存在也阻礙了俯沖過程，所以動(dòng)力地形對(duì)Te的影響被削弱，導(dǎo)致俯沖外緣Te的減??；同理，琉球海溝受西菲律賓海盆中多個(gè)海嶺的影響，Te也呈減小趨勢.

圖4中5個(gè)地區(qū)俯沖帶外緣隆起相似的地形起伏反演得到的Te值相差較大，例如馬里亞納海溝Te約85 km，而琉球海溝附近Te僅15 km左右，其原因可能是重力異常存在較大差異，這與巖石圈年齡、厚度以及密度有關(guān).古老太平洋板塊厚度和強(qiáng)度大，俯沖造成的動(dòng)力地形作用強(qiáng)，造成明顯的Te高值區(qū)域，相對(duì)年輕的西菲律賓海盆、卡羅琳海盆等由俯沖造成的Te高值異常效應(yīng)也存在但是幅值相對(duì)小一些.

從琉球海溝至馬里亞納海溝繪制了Te與3D2017地震層析成像速度模型(圖5；Debayle et al.，2016)剖面(圖3d AA′)，古老太平洋板塊俯沖時(shí)，動(dòng)力地形的影響顯著，區(qū)域表現(xiàn)為Te高值；相對(duì)薄而弱的年輕菲律賓海板塊俯沖角度小，動(dòng)力地形產(chǎn)生的影響小，Te呈低值.

同時(shí)，以距離海溝1°的俯沖板片年齡及對(duì)應(yīng)Te值為參考，對(duì)比研究區(qū)內(nèi)西太平洋各個(gè)俯沖帶附近Te與俯沖洋殼年齡的關(guān)系(圖6)，大于90 Ma的太平洋板塊俯沖帶附近的Te值明顯要比年輕的卡羅琳海板塊、菲律賓海板塊俯沖帶沿線Te值高，可見俯沖板片年齡是Te的關(guān)鍵影響因素之一，俯沖帶外緣隆起的Te計(jì)算結(jié)果隨俯沖板片年齡的增大而增大.

前人實(shí)驗(yàn)研究表明，板塊邊界的形成演化受巖石圈地幔橄欖巖的低溫塑性變形影響(Hunter and Watts，2016)，橄欖石的屈服強(qiáng)度隨晶粒尺寸的減小而增大(Kumamoto et al.，2017)，并且隨塑性應(yīng)變的增大，巖石圈強(qiáng)度顯著增加(Hansen et al.，2019).且經(jīng)過一段時(shí)間的擠壓變形，俯沖帶下板塊巖石圈內(nèi)部存在反向應(yīng)力的積累，當(dāng)長波長載荷加載時(shí)，位錯(cuò)相互作用產(chǎn)生的塑性應(yīng)變使巖石圈屈服強(qiáng)度增大，板片變硬(Hansen et al.，2019；Wallis et al.，2020)，因而研究區(qū)俯沖帶附近大的Te值可能不僅僅是方法上的假設(shè)產(chǎn)生的假象，同時(shí)代表了部分真實(shí)的巖石圈強(qiáng)度.

由于屈服應(yīng)力隨溫度升高而減小(Hansen et al.，2019)，我們推測古老太平洋板塊的俯沖受低溫塑性應(yīng)變硬化的影響，Te值較大，年輕卡羅琳海板塊等的俯沖擠壓應(yīng)力小，硬化程度弱，Te值較小，這與我們的計(jì)算結(jié)果是一致的.因此，在解釋Te的空間分布時(shí)也需要綜合考慮巖石流變學(xué)因素.

圖4 水深(a)與Te(b)距海溝軸線距離變化示意圖Fig.4 Variation in bathymetry (a) and Te (b) with distance from the trench axis

圖5 沿著截面AA′的Te分布(a)及地震層析成像結(jié)果(b)Fig.5 Te profile (a) and seismic velocity perturbation (b) along transect AA′

圖6 俯沖帶外緣隆起的Te隨俯沖板片年齡變化示意圖Fig.6 Variation in Te with the age of subducting plate in the outer rise of subduction zones

4 Te與巖石圈年齡和溫度場間的相關(guān)性

4.1 Te與巖石圈年齡的關(guān)系

剔除俯沖帶附近高值Te異常后，根據(jù)巖石圈平板冷卻模型(Davis and Lister，1974；Mckenzie et al.，2005)，繪制了巖石圈年齡與Te的關(guān)系(圖7).研究區(qū)域年齡位于60 Ma到120 Ma的巖石圈較少；年輕的大洋巖石圈位于馬里亞納海槽及Ayu海槽，受俯沖動(dòng)力地形的影響而Te略大；老的太平洋板塊內(nèi)部Te整體偏大.

彈性巖石圈底界面主要分布在200～500 ℃等溫面之間，據(jù)平板冷卻模型擬合后的彈性巖石圈底界面大致與340 ℃等溫面吻合.洋殼年齡大于120 Ma的Te逐漸平穩(wěn)，在冷卻過程中，由于小尺度地幔對(duì)流等的作用，太平洋巖石圈厚度逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

圖7 Te與大洋巖石圈年齡關(guān)系圖三角形表示海山，其年齡代表海山加載時(shí)巖石圈年齡.Fig.7 Relationship between Te and the age of oceanic lithosphereThe triangles represent the seamounts, and the corresponding age represents the age of lithosphere at the time of loading.

通過比較部分海山(位置見圖1)的Te與其加載時(shí)巖石圈年齡的關(guān)系，可以看到，海山處的Te并未隨其加載時(shí)巖石圈年齡的增大而顯著增大，因此，除海山加載時(shí)的巖石圈年齡外，自身的巖漿活動(dòng)狀態(tài)也會(huì)對(duì)海山附近的Te值產(chǎn)生影響.

為了進(jìn)一步解釋海山附近Te的影響因素，將選取的26個(gè)海山歸類于三條海山鏈上，分別為MW(馬爾庫斯—威克平頂山群)、MI(馬紹爾群島)和CI(卡羅琳群島)，從Te與海山加載時(shí)巖石圈年齡的相關(guān)性進(jìn)行分析(圖7).

可以看出，海山附近與研究區(qū)域內(nèi)整體的彈性巖石圈底界面分布范圍吻合，集中在200～500 ℃等溫面之間.中太平洋巖石圈在構(gòu)造演化過程中曾經(jīng)過南太平洋熱異常區(qū)，在熱點(diǎn)或地幔羽流邊緣等低黏度地區(qū)易誘發(fā)小尺度地幔對(duì)流(Ballmer et al.，2009；Kalnins and Watts，2009).

馬爾庫斯—威克平頂山群處海山彈性巖石圈底界面主要分布在200～400 ℃等溫面之間，形成于30～60 Ma的洋殼之上，與胡敏章等(2015)計(jì)算的中生代海山Te分布范圍相同，類似中太平洋的線狀海山鏈，彈性巖石圈底界面深度總體分布在150～450 ℃等溫面范圍內(nèi)(Hu et al.，2015；Kalnins and Watts，2009)；馬紹爾群島處海山彈性巖石圈底界面主要分布在300～500 ℃等溫面之間，形成于50～90 Ma的洋殼之上，受小尺度地幔對(duì)流及構(gòu)造活動(dòng)影響，Te并未隨海山加載時(shí)巖石圈年齡的增大而增大(胡敏章等，2015)，但在地下洋殼載荷作用下，馬紹爾群島比馬爾庫斯—威克平頂山群海山的Te值普遍大.

而卡羅琳群島海山鏈形成于10～20 Ma前，毗鄰俯沖構(gòu)造帶，Te約25 km，其彈性巖石圈底界面主要分布在300～450 ℃等溫面之間.由于Wang(2019)使用滑動(dòng)窗口導(dǎo)納方法，且使用的地形和重力數(shù)據(jù)分辨率較低，獲得的卡羅琳群島海山的Te僅約10 km，但其計(jì)算結(jié)果與本文有相同趨勢，與正常洋殼在冷卻過程中Te逐漸趨于平穩(wěn)的狀態(tài)吻合，進(jìn)一步說明除海山加載時(shí)的巖石圈年齡外，巖漿活動(dòng)產(chǎn)生的熱異常及構(gòu)造活動(dòng)也削弱了巖石圈強(qiáng)度.

4.2 Te與巖石圈溫度結(jié)構(gòu)的關(guān)系

為了研究溫度對(duì)Te的影響，計(jì)算并繪制了Te與居里點(diǎn)深度(Zb)及熱流相關(guān)性的空間分布(圖8b，9b).一般而言，居里點(diǎn)深度淺，巖石圈溫度高、強(qiáng)度弱，Te與居里點(diǎn)深度分布大致成正相關(guān)；地表熱流高，巖石圈強(qiáng)度弱，Te與熱流值分布大致呈負(fù)相關(guān).

4.2.1Te與居里點(diǎn)深度

利用磁異常反演得到的居里點(diǎn)深度代表巖石圈磁性層的底界面深度(對(duì)應(yīng)約550 ℃等溫面，與巖石鐵磁性礦物含量有關(guān))，能很好地約束巖石圈溫度結(jié)構(gòu)(Li et al.，2017).

從Te與居里點(diǎn)深度的關(guān)系(圖8b)可以看出，日本海、南海南部、卡羅琳海等年輕的地質(zhì)單元居里點(diǎn)深度淺，Te小，與新生代海底擴(kuò)張及大陸裂陷作用有關(guān)，兩者呈正相關(guān).太平洋板塊內(nèi)部的海山和島弧，受火山活動(dòng)的影響，居里點(diǎn)深度淺，在海山加載下由于巖石圈的均衡作用，Te也相對(duì)較小，Te與居里點(diǎn)深度為正相關(guān).

而南海北部陸緣和東海在早期張裂停止后接受巨厚沉積，地殼增厚，居里點(diǎn)深度變深，但是由于其處于張裂環(huán)境，Te較小；并且古老的大洋巖石圈和中生代形成的Shatsky海隆，隨著巖石圈的逐漸冷卻，其居里點(diǎn)深度也大于30 km.以及在四國海盆、馬里亞納海槽等地區(qū)，Te及居里點(diǎn)深度受俯沖等構(gòu)造活動(dòng)的影響較大，兩者呈反相關(guān)趨勢，說明構(gòu)造活動(dòng)等對(duì)Te的影響在這些區(qū)域占據(jù)主導(dǎo).

4.2.2Te與熱流

熱流直接反映巖石圈淺部的熱狀態(tài)，但觀測點(diǎn)的分布往往不均勻.本文共收集了5843個(gè)熱流觀測點(diǎn)(Li and Wang，2016).拉張環(huán)境下的日本海、南海、沖繩海槽、四國海盆、卡羅琳海等地區(qū)熱流值高；在南海北部陸緣以及婆羅洲東部，居里點(diǎn)深度深，說明熱傳導(dǎo)貢獻(xiàn)的熱流低，但這些地區(qū)由于淺部的放射性產(chǎn)熱多，也會(huì)顯示高的熱流值(Andrés et al.，2018).而在增生楔發(fā)育的俯沖前緣及逐漸冷卻的古老大洋巖石圈內(nèi)部，熱流值低.

圖8 (a) 居里點(diǎn)深度Zb分布圖； (b) Te與Zb的互相關(guān)系數(shù)Fig.8 (a) The map of Curie point depth (Zb); (b) The cross correlation coefficient between Te and Zb

圖9 (a) 熱流分布圖(紅色圓點(diǎn)表示熱流觀測點(diǎn))； (b) Te與熱流的互相關(guān)系數(shù)Fig.9 (a) The map of heat flow (The red dots represent the heat flow observation points); (b) The cross correlation coefficient between Te and heat flow

將Te與地表熱流對(duì)比發(fā)現(xiàn)，拉張環(huán)境下年輕的日本海、南海、卡羅琳海等地區(qū)，Te小，熱流值高，Te與熱流相關(guān)性好；而在蘇拉威西海及古老大洋巖石圈內(nèi)部，由于熱液循環(huán)、巖漿活動(dòng)、俯沖及構(gòu)造變形等作用的影響，地表熱流與巖石圈內(nèi)部溫度結(jié)構(gòu)可能有較大差異(Lu et al.，2020)，同時(shí)影響了Te值的大小，導(dǎo)致Te與熱流相關(guān)性差.

5 結(jié)論

本文采用基于小波變換的自由空氣導(dǎo)納法計(jì)算得到了西太平洋與東亞區(qū)域Te的空間分布，并得到以下結(jié)論：

(1)西太平洋區(qū)域Te主要分布在5～85 km之間，新生代拉張盆地(如日本海、南海等)以及達(dá)到均衡狀態(tài)的Shatsky海隆和Eauripik海脊Te很小(<20 km)；太平洋板塊內(nèi)部Te相對(duì)高.由于古老的大洋巖石圈密度增大以及俯沖造成的動(dòng)力地形等因素，在俯沖帶鄰近地區(qū)造成高Te值異常(>90 km).

(2)在消除了沉積物的影響后，大陸邊緣以及東南亞陸架盆地低的Te分布與斷層發(fā)育的張裂地質(zhì)環(huán)境相吻合.

(3)俯沖角度、俯沖板片年齡、板片拖曳力的橫向變化、動(dòng)力地形產(chǎn)生的巖石圈撓曲、以及地幔流變學(xué)特征綜合影響著俯沖帶附近的Te計(jì)算結(jié)果，俯沖帶外緣隆起的Te計(jì)算結(jié)果隨俯沖板片年齡增大而增大.

(4)參照平板冷卻模型，彈性巖石圈底界面平均分布在340 ℃等溫面附近.在冷卻過程中，Te隨巖石圈年齡的增大而增大，但是由于受小尺度地幔對(duì)流等的作用，Te逐漸趨于穩(wěn)定；海山加載時(shí)巖石圈年齡并不是影響海山地區(qū)Te的唯一因素，自身巖漿活動(dòng)產(chǎn)生的熱異常和構(gòu)造活動(dòng)的影響會(huì)削弱巖石圈強(qiáng)度，而地下載荷的存在又會(huì)導(dǎo)致高估其Te值.

(5)海山分布區(qū)和年輕的日本海、南海西南次海盆、卡羅琳海盆等區(qū)域，Te與居里點(diǎn)深度和熱流有很好的相關(guān)性，在這些地區(qū)，溫度對(duì)Te的影響占主導(dǎo)因素.但在一些特殊的構(gòu)造帶，例如俯沖帶、拉張的邊緣海沉積盆地等環(huán)境，強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)和溫度共同影響了巖石圈強(qiáng)度.

致謝感謝J. F. Kirby和C. J. Swain提供的小波變換方法.所有圖件由GMT(Wessel et al.，2013)繪制.感謝審稿專家和編輯對(duì)本文提出寶貴的修改意見.